作者:李晨 吴锡平 来源:中国科学报 发布时间:2021/1/22 21:42:01
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石墨烯携手铜离子:高效抗菌、对动物无毒

 

 石墨烯大量吸附铜离子而实现选择性的显著抗菌活性    扬州大学供图

细菌感染及其耐药性问题是世界上最大公共卫生威胁之一,如何增强抗菌活性同时尽可能减少环境毒性为其关键问题之一。铜抗菌活性虽自古就为人所知,然而,过量铜离子本身具极强毒性而威胁环境安全。

近日,扬州大学涂育松课题组、复旦大学谭砚文课题组和华东理工大学方海平课题组合作,利用铜离子功能化石墨烯实现选择性的显著抗菌活性,相比环境铜离子而言,其抗菌活性提升两个数量级。而在极大地增强石墨烯抗菌活性的同时,对哺乳动物细胞表现为无毒性。相关论文发表于《先进功能材料》。

涂育松介绍,他与合作者在前期研究石墨烯与细菌细胞膜相互作用时发现,细胞膜上的磷脂分子会被石墨烯抽取,导致细胞膜的破坏,他们因此提出一种可能的石墨烯抗菌分子机制。

此抗菌分子机制迅速引起国内外同行广泛关注,科学家多方面尝试通过功能化石墨烯来增强其抗菌活性,包括交联高分子聚合物或调控石墨烯边缘取向排列等,但增强效果均未能超过两倍。

在最新成果中,他们提出利用铜离子来功能化石墨烯的抗菌机制。理论计算表明,石墨烯通过铜离子与石墨烯之间的离子π相互作用,大量吸附铜离子形成石墨烯铜离子复合物;通过带有正电的石墨烯铜离子复合物与带有负电的细菌细胞膜之间静电作用,石墨烯展现独特功能性,即不仅快速将铜离子大量运送并富集于细菌表面,而且离子π的相互作用可让铜离子价态从+2价转变为+1,从而实现显著抗菌活性。

进一步实验证实,功能化石墨烯吸附铜离子,致使环境中铜离子浓度低于0.5 μM,达到国家地表水质标准;抗菌实验表明,铜离子功能化石墨烯极大地增强了石墨烯的抗菌活性,相比环境铜离子而言,其抗菌活性提升两个数量级。

FE-SEM和XPS实验也分别证明石墨烯将铜离子大量运送并富集细菌表面以及吸附在石墨烯上铜离子价态的转变,从而证实了理论预测的石墨烯功能性抗菌机制。

通过对比杀死藻类细胞以及哺乳动物细胞的实验,他们发现,这一抗菌机制对带负电的细胞是有效的,而对于本身为电中性的哺乳动物细胞而言并不起作用,因此实现了选择性的显著抗菌活性。

涂育松说,由于病变细胞如癌细胞等同样带有负电,所以该类石墨烯功能性抗菌机制也为高效和选择性的抗癌活性设计提供了指导。

石墨烯本身易制备同时还可通过离心或过滤等简单手段移除,因此,利用铜离子功能化石墨烯的抗菌机制可实现设计制备廉价、方便、高效、广谱和环保,将可成为具有巨大应用前景的抗菌材料。

该研究得到了国家自然科学基金委、江苏省科技计划项目、上海市科技重大专项以及广州超算中心的资助和支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adfm.202008018

 
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